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          一、镍氢电池

        由于化石燃料在人类大规模开发利用的情况下越来越少,近年来,氢能源的开发利用日益受到重视。镍氢电池作为氢能源应用的一个重要方向越来越被人们注意。虽然镍氢电池确实是一种性能良好的蓄电池,但航天用镍氢电池是高压镍氢电池(氢压可达3.92MPa,即40kg/cm2),这样的高压力氢气贮存在薄壁容器内使用容易爆炸,而且镍氢电池还需要贵金属做催化剂,使它的成本变得很贵,这就很难为民用所接受,因此,国外自70年代开始探索民用的低压镍氢电池。镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。高压镍氢电池是20世纪70年代初由美国的M.KleinJ.F.Stockel等首先研制。用镍氢电池代替镉镍电池并应用于各种卫星上的趋势已经形成。

        结构与原理

        镍氢电池正极活性物质为NiOH2(称NiO电极),负极活性物质为金属氢化物,也称储氢合金(电极称储氢电极),电解液为6mol/L氢氧化钾溶液。活性物质构成电极极片的工艺方式主要有烧结式、拉浆式、泡沫镍式、纤维镍式及嵌渗式等,不同工艺制备的电极在容量、大电流放电性能上存在较大差异,一般根据使用条件不同的工艺生产电池。通讯等民用电池大多采用拉浆式负极、泡沫镍式正极构成电池。充放电化学反应如下:

        正极:NiOH2+OH-=NiOOH+H2O+e-

        负极:M+H2O+e-=MHab+OH-

        总反应:NiOH2+M=NiOOH+MH

        注:M:氢合金;Hab:吸附氢;反应式从左到右的过程为充电过程;反应式从右到左的过程为放电过程。

        充电时正极的NiOH2OH-反应生成NiOOHH2O,同时释放出e-一起生成MHOH-,总反应是NiOH2M生成NiOOH,储氢合金储氢;放电时与此相反,MHab释放H+H+OH-生成H2Oe-NiOOHH2Oe-重新生成NiOH2OH-。电池的标准电动势为1.319V

        分类

        镍氢电池分为高压镍氢电池和低压镍氢电池。

        低压镍氢电池具有以下特点:(1)电池电压为1.2~1.3V,与镉镍电池相当;(2)能量密度高,是镉镍电池的1.5倍以上;(3)可快速充放电,低温性能良好;(4)可密封,耐过充放电能力强;(5)无树枝状晶体生成,可防止电池内短路;(6)安全可靠对环境无污染,无记忆效应等。

        高压镍氢电池具有如下特点:(1)可靠性强。具有较好的过放电、过充电保护,可耐较高的充放电率并且无枝晶形成。具有良好的比特性。其质量比容量为60A·h/kg,是镉镍电池的5倍。(2)循环寿命长,可达数千次之多。(3)全密封,维护少。(4)低温性能优良,在-10℃时,容量没有明显改变。

        二、镍锌电池

        镍锌电池电压高。与过去的AA电池相比它的电压达到1.6V。比镍氢电池的1.2V要高得多,更适用于传统的使用1.5V电池的电器。它可以使闪光灯回电更快。使数码相机充分用完其电量。而很多镍氢电池用在数码相机上仅使用了30%的电量就低电关机了。(201012月)AA型号的镍锌电池的容量只有1300mAh左右,但是,它的放电能量已经达到8300焦耳以上。与目前优秀的镍氢电池eneloop相比,差别并不大,eneloop放电能量大约在9000焦耳左右。

        镍锌电池放电电流强。已经运用在电动汽车上了。一颗AA镍锌电池,在2A电流放电下可以放出超过7200焦耳的能量。镍锌电池更环保,镍和锌都是可回收而且容易回收的金属。镍锌电池由于至2013还是比较新的产品,全球主要由一个美国公司PowerGenix生产,所以价格还是比较高。相信在未来几年其价格可以降到镍氢电池同一水平。关于镍锌电池的安全电压范围,大众根据其充电器满电压1.9v判断,低安全电压为1.2v,即1.2v1.9v。 在实际使用中,有人将电池过充过放导致电池失效或损坏,详情搜索 “镍锌 过放” 看看小白鼠自愿者们的贡献。

        发展过程

        镍和锌都是相对容易找到的金属。相比镍氢电池需要大量的稀土材料,镍锌电池需要的除了镍外主要就是锌,锌比稀土容易找到。事实,在一个世纪前,托马斯·爱迪生就认识到了镍锌电池的潜力,并对其进行了研究。而受限于当时的技术,镍锌电池并没有得到很好的发展。如今,镍镉和镍金属氢化物化学(镍镉电池和镍氢电池)已成功地商业化,广泛用于高要求的应用。但是,这些技术已达到技术上的极限。

        目前我们常见的AA5号)充电电池镍镉电池不环保,也存在记忆效应,已经处于淘汰边缘。NiMH电池虽然没有记忆效应和剧毒问题,但存在钝化现象(高自放电),对环境温度要求也较为苛刻。

        2010年年初,一家名不见经传的美国公司PowerGenix宣布推出“全新”的NiZn镍锌充电电池。之所以在新字上加引号,是因为镍锌电池技术实际上有超过百年的历史,号称早是由爱迪生发明的。PowerGenix将这一古老的技术进行了翻新改良,特别是改进了电解液和电极配方,才拿出了我们看到的新一代NiZn镍锌充电电池。

        结构

        镍正极:镍电极的主要活性材料是 Ni(OH)2。当前使用的镍电极主要分为烧结式和非烧结式。非烧结式正极较烧结式正极,具有高容量、高活性的特点,一般采用孔隙率较高的纤维镍或泡沫镍材料作为支架,涂覆球型氢氧化镍即得镍正极。

               锌负极:锌负极主要制备方法有涂膏法、电沉积法、压成法、化成法和烧结法等。锌负极可以做成充电态和放电态两种,主要取决于初始材料是 ZnO(充电态)还是Zn(放电态)。一般情况下放电态的 Zn 电极用于一次电池,充电态的 ZnO 多用于二次电池。可是因为 ZnO 具有半导体特性,导电性能较差,如果制备的镍锌二次电池的锌负极材料全是 ZnO,将会有较高的初始电阻,其电极必须小电流充电活化,还原一定比例的 ZnO 生成 Zn,利用金属锌 Zn 良好的导电性减少锌负极的电阻,提高充放电效率,使电极的电化学性能得到改善。所以镍锌二次电池中,锌负极的活性物质主要为 ZnO(充电态)中添加一些金属 Zn(放电态),以减少初始充电时的高电阻,同时也会添加某些缓蚀剂以改善锌负极的性能。因为 ZnO在碱性电解液中具有的一定溶解性会造成锌负极的枝晶形变和钝化等不良影响。

        隔膜:隔膜置于电池的正负极之间,防止正负极活性材料直接接触造成电池短路。隔膜不仅要能抗锌枝晶穿透,还要能耐强碱、抗氧化、易被电解液浸润、良好的机械强度和较强的柔韧性、低电阻和高离子导电性。

        电解液:电池正负极材料的性能的发挥直接受电解液种类和浓度的影响。氢氧化钾溶液是常被碱性电池选作电解液。负极活性物质 ZnO 是两性氧化物,在碱性电解液中有一定的溶解性,这直接影响着锌负极活性物质的利用率。因此,通常在电解液中会添加少量 LiOH。正极的活性物质颗粒表面上会吸附 Li,避免活性物颗粒聚结,电极活性物质的利用率提高,Li还能防止电极膨胀,改善电极反应的可逆性和充电过程中的析氧极化,延长电极的使用寿命。


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